一种梯度反射声栅传感结构制造技术

本发明专利技术涉及声栅超材料领域，特别涉及一种梯度反射声栅传感结构，包括多个依次排列的竖直板以及布置在所述竖直板一侧的反射板，相邻两个所述竖直板之间的空气狭缝宽度等差递增，所述反射板与所述竖直板的侧缘之间留有空气夹层，相邻竖直板与反射板之间的区域可构成类FP共振腔，能够有效控制声波传播，将声能量局限在狭缝中，通过结合不同尺寸的类FP共振腔的频带，使其工作带宽被拓宽，改变共振腔体积，可调节其工作频率，从而避免了传统的声栅超材料工作带宽窄、体积大等问题，并且还实现了各个角度的方向定位。角度的方向定位。角度的方向定位。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度反射声栅传感结构


[0001]本专利技术涉及声栅超材料领域，特别涉及一种梯度反射声栅传感结构。

技术介绍

[0002]声传感技术在声源定位、状态监测等领域已得到广泛应用。然而，当声信号被强背景噪声淹没时，传统声传感检测设备由于受最小检测压力的限制，将无法检测到该声信号。此外，基于麦克风阵列的传统声源定位方法受其安装复杂、操作繁琐等影响，在工业上的应用有限。
[0003]近年来，声学超材料由于其独特的声波操控特性得到了广泛关注。声彩虹捕获、超常声透射及声隧穿等特性不断推进了基于超材料的声传感技术的发展。声学超材料利用其声波操控特性可作为预增强声信号和声源定位的声学设备。迄今为止，一些重要研究成果已为研发基于超材料的声增强设备提供了良好的技术支撑。除声增强设备外，一些基于声学超材料的声源定位设备也已被研发，如基于valley
‑
Hall拓扑绝缘体实现方向定位的拓扑声学天线和可用于全角度方向传感的耦合亚波长Helmholtz共振器。然而，在工程实际中，上述超材料的设计和制造通常是十分复杂的。
[0004]与上述超材料相比，由矩形板和狭缝周期阵列构成的声栅超材料结构简单，在工程实际中更易于制造。以往的研究表明，具有等宽狭缝的传统周期声栅超材料的每个狭缝都可以作为Fabry
‑
Perot(FP)共振腔，能有效捕获入射声波对应的共振频率，其声压幅值可放大80倍以上，且对零阶传输的入射角非常敏感，这为声传感技术提供了潜在的应用价值。然而，由于共振结构的高品质因子特性，导致现有声栅超材料的工作频带较窄。多共振器耦合作为拓宽工作带宽的一种常用方法，能够将多个共振带结合，从而有效地拓宽工作带宽，该方法也适用于声栅超材料。
[0005]在工程实际中，如在碰摩信号的检测中，声栅超材料对声波的操控通常需要在较低频率或深亚波长尺度下进行。然而，FP共振腔的长度通常大于或等于共振频率的波长，这使得设备体积庞大，不适合应用于紧凑型或小型设备。尽管在过去的研究中，空间卷曲结构已被证明能成功地降低工作频带，但由于它的热黏性损失显著，不适合与声栅超材料耦合。近年来，光学领域提出的反射光栅超材料可通过操纵其边界处的反射相位，实现光学领域的深亚波长传感，为实现深亚波长声栅超材料提供了思路，然而，能否通过操纵声栅边界上的反射相位来实现深亚波长声传感尚不清楚。
[0006]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0007]本专利技术为满足声传感系统在实际应用中的工作带宽要求，提出了一种狭缝宽度递增的声栅超材料，与传统周期声栅超材料相比，缝宽递增的声栅超材料可以看作是一组能
捕获不同频率分量的组合共振器，可合并多个共振带，拓宽工作带宽。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种梯度反射声栅传感结构，包括多个依次排列的竖直板以及布置在所述竖直板一侧的反射板，相邻两个所述竖直板之间的空气狭缝宽度等差递增，所述反射板与所述竖直板的侧缘之间留有空气夹层。
[0009]其中，所述空气狭缝的宽度递增规律满足w
n
＝w1+(n
‑
1)
×
d，其中w1为初始宽度，w
n
为第n个空气狭缝的宽度,d为步长。
[0010]其中，所述空气狭缝的初始宽度w1＝7mm，步长d＝1mm。
[0011]其中，所述空气狭缝的总数量为15。
[0012]其中，所述梯度反射声栅传感结构通过3D打印制备，所述竖直板和所述反射板的原材料均为光敏树脂。
[0013]其中，所述光敏树脂的密度ρ2＝1190kg/m3，声速c2＝1700m/s，弹性模量E2＝2.65
×
103MPa，剪切模量G2＝2.22
×
103MPa。
[0014]其中，所述竖直板为矩形板，各块所述矩形板采用长边对齐的方式布置，所述矩形板的板厚t＝8mm，板长h＝100mm。
[0015]其中，所述反射板的厚度b＝8mm，板长L＝338mm，板宽H＝100mm。
[0016]其中，所述空气夹层的厚度g＝1.5mm。
[0017]同时，所述空气狭缝和所述空气夹层能根据实际需求调整。
[0018]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0019]本专利技术提供的梯度反射声栅传感结构，相邻竖直板与反射板之间的区域可构成类FP共振腔，能有效将声能量局限在狭缝中，显著增大声能量密度，同时，梯度反射声栅传感结构的外部存在倏逝波衰减现象，与各狭缝零阶共振模态耦合，实现声波能量腔到腔的传递，进而起到拓宽工作频带的作用；
[0020]本专利技术中，梯度反射声栅传感结构的工作频率可通过改变结构的几何参数(w和g)来调节，每个狭缝的共振频率随共振腔体积的大小而改变，可实现对深亚波长声波的操控；
[0021]本专利技术中，梯度反射声栅传感结构的声压响应受声波入射角影响，存在不同的压力场分布情况，方向响应敏感，可实现声源定位；
[0022]另外，本专利技术采用光敏树脂，通过3D打印技术制备，结构简单，制造方便，生产成本较低；
[0023]本专利技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0024]图1(a)为本专利技术的整体结构正视图；
[0025]图1(b)为本专利技术的整体结构三维视图；
[0026]图2(a)为第2、8、14缝隙的归一化声压响应；
[0027]图2(b)为不同共振频率下的归一化压力场分布；
[0028]图2(c)为有无反射板时不同狭缝位置的共振频率对比；
[0029]图3(a)为空气狭缝宽度w对共振频率的影响；
[0030]图3(b)为空气夹层宽度g对共振频率的影响；
[0031]图4(a)为方向响应测试示意图；
[0032]图4(b)为方向响应归一化声压；
[0033]图4(c)为不同入射角的声场分布。
具体实施方式
[0034]为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本专利技术中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
[0035]需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、安装、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。另外，本专利技术中的“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度反射声栅传感结构，其特征在于，包括多个依次排列的竖直板以及布置在所述竖直板一侧的反射板，相邻两个所述竖直板之间的空气狭缝宽度等差递增，所述反射板与所述竖直板的侧缘之间留有空气夹层。2.根据权利要求1所述的一种梯度反射声栅传感结构，其特征在于，所述空气狭缝的宽度递增规律满足w
n
＝w1+(n
‑
1)
×
d，其中w1为初始宽度，w
n
为第n个空气狭缝的宽度,d为步长。3.根据权利要求2所述的一种梯度反射声栅传感结构，其特征在于，所述空气狭缝的初始宽度w1＝7mm，步长d＝1mm。4.根据权利要求2所述的一种梯度反射声栅传感结构，其特征在于，所述空气狭缝的总数量为15。5.根据权利要求1所述的一种梯度反射声栅传感结构，其特征在于，所述梯度反射声栅传感结构通过3D打印制备，所述竖直板和所述反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庭贵，黎文婷，于德介，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：